1. Einleitung - diss.fu

”Adjustierbarer Gefäßkonstriktor”
1. Einleitung
1.1
klinischer Hintergrund
Die d-Transposition der großen Arterien (d-TGA,
Abbildung 1) ist mit einer Inzidenz von 4-6%
aller Vitien der zweithäufigste zyanotische
PA
Herzfehler. Die großen Arterien sind vertauscht,
Ao
LA
so dass eine ventrikulo-arterielle Diskordanz
RA
besteht, bei der der Lungen- und der Körperkreislauf
voneinander
getrennt
sind.
Der
LV
morphologisch
Systemventrikel
rechte
das
Ventrikel
pumpt
systemvenöse,
als
RV
sau-
erstoffarme Blut unter Umgehung der Lunge in
die Aorta, während das pulmonalvenöse sauer-
Abb. 1
stoffreiche Blut vom linken Ventrikel aus über
d-Transposition der großen
Arterien (d-TGA)
die Pulmonalarterie wieder in die Lunge fließt. Der natürliche Verlauf dieses Herzfehlers
und das Überleben der ersten Lebenstage ist abhängig vom Grad der Mischung des venösen und arteriellen Blutes über einen Vorhofseptumdefekt und / oder den Ductus arteriosus. Das
Rashkind-Manöver, bei dem transkutan mit einem
Ballonkatheter das Vorhofseptum rupturiert wird
PA
Ao
(Rashkind 1966), sowie die kontinuierliche
Baffle
intravenöse Gabe von Prostaglandin E1 sichern
postnatal die ausreichende Mischung des Blutes.
Die
Lebenserwartung
ohne
interventionelle
LV
RV
Therapie beträgt wenige Wochen bis Monate
(Liebman 1969). Die operative Therapie der dTransposition der großen Arterien bestand in
vielen Zentren bis in die 90er Jahre in der Vor-
Abb. 2
d-TGA nach Mustard-Operation
hofumkehr nach Senning (1959) bzw. Mustard
(1964). Dabei leitet ein durch beide Vorhöfe angelegter Tunnel - das „Baffle“ - das sauerstoffarme Blut aus den Hohlvenen zur Mitralklappe, so dass es vom linken Ventrikel zur
7
”Adjustierbarer Gefäßkonstriktor”
Pulmonalarterie gepumpt wird. Das sauerstoffreiche Blut fließt aus den Lungenvenen am
Baffle vorbei zur Trikuspidalklappe und vom rechten Ventrikel in die Aorta (Abbildung 2).
In vielen Zentren wurde dieses Operationsverfahren bis Anfang der 90iger Jahre angewendet. Heutzutage ist die Standardmethode zur Korrektur die „arterielle Switch-Operation”,
bei der die großen Arterien sowie die Herzkranzgefäße umgesetzt werden (Jatene 1976,
Yacoub 1977, Kirklin 1992, Klautz 1989, Krian 1991, Shinoka 1993). Diese Operation
muss innerhalb der ersten zwei bis vier Lebenswochen vor der Adaptation des linken
Ventrikels an die niedrigen, pulmonalarteriellen Drucke erfolgen.
Bei den nach Mustard oder Senning palliativ operierten Patienten kommt es zu einer
progredienten Insuffizienz des morphologisch rechten Systemventrikels (Yacoub 1977,
1979; Quaegebeur 1977, 1986) und schließlich um das 3. Lebensjahrzehnt zum Herzversagen mit den Zeichen der Dilatation des rechten Ventrikels, einer zunehmenden
Trikuspidalinsuffizienz sowie therapierefraktären atrialen und ventrikulären Tachyarrhythmien (Shinoka, 1993; Helbing, 1994; Hochreiter, 1994, Carrel 2000). Für diese
Patienten bleibt als ultima ratio lediglich die Herztransplantation.
Yacoub beschrieb 1977 für nicht voroperierte Säuglinge jenseits der Neugeborenenperiode
mit d-TGA ein zweizeitiges Vorgehen, nach dem in einem ersten operativen Schritt durch
die künstliche Einengung der Pulmonalarterie mittels Anlage eines Teflonbändchens
(Abbildung 6) eine konzentrische Hypertrophie des funktionell rechten, aber anatomisch
linken Ventrikels induziert wird, um dann im zweiten Schritt die anatomische Korrektur
mit Umsetzen der großen Gefäße und Korrektur der Koronarien durchzuführen (Yacoub
1977, Lange 1986). Diese Säuglinge hatten im Vergleich zu älteren Patienten zusätzlich
einen Vorhofseptumdefekt als „Überlaufventil“ für den Fall eines Druckanstiegs im pulmonalvenösen Vorhof oder einen aorto-pulmonalen Shunt zur Erhöhung des pulmonalen
Blutflusses. Der bei der akuten Bändelung temporär myokardial insuffiziente linke Ventrikel schien im Vergleich zu älteren Patienten ein adaptionsfähigeres Myokard zu besitzen.
Trotz dieser günstigeren hämodynamischen wie myokardialen Voraussetzungen führte die
akute Druckbelastung durch das nicht regulierbare Pulmonalarterienbanding zur Dekompensation
des
linken
Ventrikels
vor
der
Ausbildung
einer
ausreichenden
Myokardhypertrophie (Yacoub 1977; Lange 1985; Mee 1986/1989).
Das von Yacoub beschriebene Training des linken Ventrikels durch ein starres Bändchen
wurde durch mehrere Techniken modifiziert (siehe folgender Abschnitt) und sowohl bei
nicht voroperierten Säuglingen als auch und insbesondere bei palliativ nach Mustard oder
8
”Adjustierbarer Gefäßkonstriktor”
Senning operierten Patienten angewendet, ohne das bis jetzt ein zuverlässiges Instrument
für das behutsame Training des linken Ventrikels auf die zu erwartende fünffache Druckbelastung des Systemkreislaufes resultiert. Aktuelle Publikationen zeigen, dass auch unter
den verbesserten operativen Möglichkeiten keine günstigere Prognose des kurz- und
mittelfristigen Verlaufs erreicht werden kann (Däbritz 2001). Ließe sich anstelle der
starren eine regulierbare Bändelung der Pulmonalarterie vornehmen, könnte progressiv
unter Anpassung an die jeweilige hämodynamische Situation eine Hypertrophie des linksventrikulären Myokards ohne das Risiko einer Dekompensation erreicht werden. Die
Alternative zur Herztransplantation besteht daher im zweizeitigen operativen Vorgehen:
im ersten Schritt wird über mehrere Wochen die an die hämdynamischen Verhältnisse
angepasste, adjustierbare Bändelung der Pulmonalarterie unter engmaschiger Überwachung der Ventrikelfunktion vorgenommen; nach erzielter Hypertrophie der linken
Kammer (Abbildung 3) wird dann im zweiten Schritt die Rücknahme der Vorhofumkehr
und die arterielle Switch-Operation der großen Gefäße und Koronararterien durchgeführt
(Abbildung 4, Mee, 1986, 1989). Das Ziel ist der korrigierte Endzustand mit atrioventrikulärer und ventrikuloarterieller Konkordanz (Abbildung 5).
120
20
Adjustierbare Bändelung der
Pulmonalarterie zur progressiven
Druckbelastung des linken
Ventrikels
120
100
20
120
120
Hypertrophie-Induktion
20
20
20 ...
Abb. 3
120
120
Abb. 4
Double-Switch-Operation Abb. 5
... nach Adaptation des linken
Ventrikels an Systemdruckniveau
Revision der Vorhofumkehr und
Umsetzen der großen Arterien ...
korrigierter Endzustand
... im Endzustand korrigierte
atrioventrikuläre und ventrikuloarterielle Anatomie.
Anpassung der Druckniveaus
(Zahlenangaben: systolische Druckwerte in mmHg)
1.2
Gefäßklemmen
In der Chirurgie werden verschiedene Formen von Gefäßklemmen verwendet. Etablierte
Klemmen sind z.B. die ”Kocherklemme” zur passageren Okklusion von Arterien oder
großen Venen in Form einer kleinen Zange mit zentraler Achse oder die in der Neurochi9
”Adjustierbarer Gefäßkonstriktor”
rurgie angewandte ”Crutchfield-Klemme” (Crutchfield 1959, Martinez 1975). Die Indikationen und Anwendungsbereiche dieser und ähnlicher Klemmen schließen jedoch eine
Verwendung zur gezielten Pulmonalarterienkompression aus.
In der kardiovaskulären Chirurgie angeborener Herzfehler finden bzw. fanden folgende
Methoden der Gefäßkonstriktion routinemäßig oder experimentell Verwendung:
1.2.1 Nicht-regulierbare Gefäßkonstriktion
Die Anlage eines Teflonbändchens um die Lungenarterie (”Pulmonalarterien-Banding”) ist eine einfach durchführbare Methode und
wird seit ihrer Erstbeschreibung (Muller 1952) routinemäßig angewendet (Abbildung 6). Das Pulmonalarterien-Banding benötigt
keinen kardiopulmonalen Bypass, ist wenig traumatisch und daher
auch bei kritisch kranken Neugeborenen anwendbar. Nach dem
Vernähen des um die Pulmonalarterie geschlungenen Bändchens ist
Abb. 6
TeflonBändchen
eine Korrektur ohne Re-Operation allerdings nicht mehr möglich.
1.2.2 Regulierbare Gefäßkonstriktion
Mehrere Formen regulierbarer Gefäßkonstriktoren wurden von verschiedenen Arbeitsgruppen entwickelt. Muruako et al publizierten 1983 den ersten
regulierbaren Konstriktor, der zur Kompression der Pulmonalarterie eingesetzt wurde (Abbildung 7). Eine von einem GoretexSchlauch umgebene Drahtschlinge („Snare“) wurde um das Gefäß
gelegt und durch einen Katheterschaft bis zu einer subkutan plat-
Abb. 7
zierten Stellschraube führte. Diese konnte transkutan mit einem
speziellen Schraubendreher so justiert werden, dass sich die Draht-
Konstriktor
nach
Muraoka /
Higashidate
schlinge um das Gefäß zuzog. Higashidate publizierte 1989 eine modifizierte Version, bei
der ein Drahtende in einem Stopper an der Pulmonalarterie arretiert und nur das andere
Ende zu einer Stellschraube geführt wurde. Die Steuerung erfolgte
ebenfalls durch einen transkutan eingeführten Schraubendreher.
Eine Form eines semi-zirkulären, selbst adjustierenden Gefäßkonstriktors wurde von Lange et al 1985 entwickelt (Abbildung 8)
und erfolgreich im Tierversuch erprobt. Seine Funktion basiert auf
einem quellbaren Kunststoff, dem hygroskopischen Casein Ame-
Abb. 8
Konstriktor
nach Lange
10
”Adjustierbarer Gefäßkonstriktor”
roid, der eine definierte Menge Flüssigkeit aufnehmen kann. Durch Volumenzunahme
drückt das Ameroid eine Traverse gegen einen U-förmig um die Pulmonalarterie gelegten
Stahlzug. Nach maximaler Flüssigkeitsaufnahme wird der Strömungsquerschnitt des
Gefäßes damit auf einen fixen Endwert reduziert.
Das von Solis 1987 publizierte Modell, genannt „Hydrauler“
(Abbildung 9), welches von Le Bret 2001 modifiziert wurde,
besteht aus einem um die Lungenarterie platzierten und mit einem
subkutan fixierten Reservoir verbundenen Ballonkatheter. Durch
transkutane Injektion definierter Flüssigkeitsvolumina in das
Reservoir kam es zur Expansion des von einer Manschette umge-
Abb. 9
Konstriktor
nach Solis /
Le Bret
benen Ballons und somit steuerbaren Kompression des Gefäßes.
Ein anderes System ähnelt einer Schlauchschelle, wobei der
Durchmesser einer um die Pulmonalarterie gelegten Lasche über
ein Schneckengewinde verändert werden kann. Die Steuerung
erfolgt von extern über einen Schraubendreher via eine transthorakale Führung. Dieses System kam ebenfalls nur kurz zu
klinischem Einsatz (Abbildung 10, Ahmadi 1995).
Abb. 10 Konstriktor
nach Ahmadi
Die Firma Osypcka konstruierte 1996 einen Konstriktor, bei dem
anstelle des von Lange und Berger verwendeten Ameroids eine
Traverse mittels einer Schraube einen Stempel gegen den Uförmig um die Pulmonalarterie gelegten Stahlzug drückt und
dadurch den Strömungsquerschnitt verringert (Abbildung 11). Zur
Regulation der Schraube wurde ein überlanger Schraubenziehers
mit flexiblem Schaft durch eine transthorakale Führung nach
Abb. 11 Konstriktor
nach
Osypcka
intrakorporal vorgeführt (Schlensak, 1997). Ohne tierexperimentelle Vorversuche kam
dieser Konstriktor bei 2 Neugeborenen akut erfolgreich, jedoch mittelfristig wegen Materialbruchs nur frustran zum klinischen Einsatz (Däbritz, 1999, 2001).
Corno publizierte einen telemetrisch regulierbaren Konstriktor
„FloWatch“ (Abbildung 12), der die Pulmonalarterie bogenförmig einengt (Corno 2002). Nach Versuchen an Jungschweinen
wurde der Konstriktor zwar erfolgreich klinisch eingesetzt, ist
jedoch auf die Anwendungen bei Säuglingen limitiert.
Eine chirurgisch-interventionelle Variante, ein Pulmonalarterien-
Abb. 12 Konstriktor
FloWatch 
11
”Adjustierbarer Gefäßkonstriktor”
bändchen zu „regulieren“, realisierte die Arbeitsgruppe um Vince et al (Vince 1996). Das
von einem Kardiochirurgen operativ platzierte Teflon-Bändchen ließ sich nach mehreren
Wochen je nach Indikation durch eine perkutane Ballondilatation im Rahmen einer Herzkatheteruntersuchung aufdilatatieren. Das Einreißen des Teflonmaterials an zuvor
definierten und präparierten Stellen und in Folge die Erweiterung des Bändchens in groben
Schritten war der gewünschte Effekt. Dieses Verfahren eignet sich, einen initial zu drastisch reduzierten Blutfluss durch Dilatation des Bändchens zu verbessern. Eine den
kompensatorischen Möglichkeiten des Ventrikels angepasste Form der Regulation des
Druckgradienten, welche sich in Millimeter-Dimensionen des Umfangs der Pulmonalarterie verändern lässt, war mit diesem Ansatz jedoch nicht möglich. Vor allem aber bedingt
das Hypertrophie-Training die progressive Steigerung und nicht die Reduktion des Gradienten, so dass die Indikation zum Einsatz dieses Verfahrens eine andere ist.
1.3
Zielsetzung
Wir strebten mit dem vorliegenden Projekt die Entwicklung eines spaltförmigen Konstriktors an, den wir unter der Prämisse der externen Regulierbarkeit in der Spaltform aus
rheologischen wie hämodynamischen Gesichtspunkten favorisierten. Hauptmerkmal seiner
Funktionalität sollte neben der stufenlosen Bändelung der Pulmonalarterie das problemlose
Wiederöffnen sein, um damit die individuelle Adaptation des Ausmaßes der Konstriktion
selbst bei plötzlicher hämodynamischer Verschlechterung gewährleisten zu können. Die
rheologischen Vorteile des Spaltkonstriktors liegen in der Geometrie des Gefäßlumens
begründet, die aus der spaltförmigen im Vergleich zur
zirkulären Konstriktion resultiert. Bei der spaltförmigen
Konstriktion bleibt der volle Umfang des Gefäßes erhalten, so dass die Veränderung der Querschnittsfläche ein
kontinuierlicher Vorgang bezüglich der GefäßwandDeformierung ist (Abbildung 14, 15). Im Gegensatz dazu
kommt es bei zirkulärer Konstriktion zu einer Einstülpung der Gefäßwand in das Lumen und schließlich zu
einer ausgeprägten ”Schottenrock”-artigen Faltenbildung
in der noch verbleibenden, perfundierten Querschnittsfläche (Abbildung 13, 15; Laks, 1999, Corno 2002).
Abbildung 13 zeigt vereinfacht die resultierende Gefäß-
Abb. 13 Gefäßgeometrie bei
zirkulärer Konstriktion
12
”Adjustierbarer Gefäßkonstriktor”
geometrie bei Anlage des Konstriktors um einen resizierten
Pulmonalarterienstamm. Das Ausmaß der zirkulären
Konstriktion bzw. der Umfang des anzulegenden Bändchens wird nach einer Formel von Trusler und Mustard
errechnet (Umfang = 20 mm (bzw. 24 mm) + 1 mm/je kg
Körpergewicht
bei
Nicht-Shunt-Vitien
(bzw. Shunt-
Vitien)) und intraoperativ anhand des invasiv gemessenen
Gradienten über der geschaffenen Stenose angepasst
(Trusler 1972). Die Fältelung der Gefäßwand in das Lumen
führt dabei zu mehreren Problemen wie Turbulenzen an
den Wandeinstülpungen und einer erhöhten Thrombogeni-
Abb. 14 Gefäßgeometrie bei
spaltförmiger Konstriktion
tät. Darüber hinaus kommt es wenige Wochen postoperativ zum Verwachsen der einander
anliegenden Fältelungen und in Folge zur Zunahme der Querschnittsfläche. Die intraoperativ als adäquat gemessene Querschnittsreduktion nimmt dadurch ab, so dass die Bändelung
zu „lose“ und inadäquat niedrig wird. Das vor diesem Hintergrund von Laks (Laks 1999)
verwendete Verfahren des „inzisionalen Pulmonalarterienbandings“ dient dazu, den
Gradienten langfristig kalkulierbar konstant zu halten. Dabei wird am Pulmonalarterienstamm vor Anlage des Teflon-Bändchens eine Stenose durch Raffung erzeugt. Nach
Anlegen und Fixieren des Teflon-Bändchens an dieser Stenose ist die Fältelung der Gefäßwand somit weniger ausgeprägt und der Gradienten im postoperativen Verlauf
gleichbleibend. Die Raffung des Pulmonalarterienstamms muss nach Entfernung des
Bändchens resiziert bzw. mit einer Erweiterungsplastik korrigiert werden.
Ein starres Banding zur Reduktion des Blutflusses ist als Schutz vor pulmonalarterieller
Überflutung bei shuntrelevanten Ventrikelseptundefekten oder univentrikulären Herzen
zwar meistens ausreichend. Die oben beschriebenen Effekte der Veränderung des Gradienten angesichts der Gefäßwandfältelung
einerseits und das im Verlauf des
Wachstums bei Kindern zunehmende
relative Missverhältnis zwischen der
Pulmonalarterienentwicklung und dem
starren Banding unterstreichen jedoch
den Bedarf eines justierbaren Konstriktors.
Insbesondere
für
das
Abb. 15 Geometrie des Gefäßlumens bei spaltförmiger
bzw. zirkulärer Konstriktion
13
”Adjustierbarer Gefäßkonstriktor”
Hypertrophie-Training des linken Ventrikels als essentielle Vorbereitung für eine spät
durchgeführter arterielle Switch-Operation oder für eine Double Switch-Operation nach
zurückliegender Vorhofumkehr ist eine jederzeit regulierbaren Nachlasterhöhung unerlässlich, welche eine rasche Reaktion auf die jeweiligen hämodynamischen Bedingungen
erlaubt und die Kompensation der Druckbelastung durch den Ventrikel ermöglicht.
Das Ziel des Tierversuches ”Adjustierbarer Gefäßkonstriktor” war die Konzeption, Entwicklung und Erprobung eines von extern regulierbaren Konstriktors in einem in-vitro
Strömungs- und anschließend zwei-Phasen Tiermodell. Die Vorversuche der Arbeitsgruppe um Lange haben gezeigt, dass die Induktion einer Myokardhypertrophie durch
Nachlaststeigerung innerhalb von 3 bis 4 Wochen möglich ist. Der dabei verwendete
Ameroid-Konstriktor (Abbildung 8, Lange 1985) war jedoch nicht steuerbar, so dass die
Nachlastanhebung den hämodynamischen Verhältnissen nicht nachträglich angepasst
werden konnte. Die Bauformen anderer Arbeitsgruppen kamen nicht zu routinemäßigem,
klinischen Einsatz (Muraoka 1983, Higashidate 1989, Solis 1986, Le Bret 2001) oder
waren angesichts ihrer Dimensionen nur für die Anwendung bei Säuglingen konzipiert
(Ahmadi 1997, Schlensak 1997, Däbritz 1999/2001, Corno 2002, Abbildung 45).
Es waren die folgenden Kriterien für den Konstriktor und seinen Einfluss auf die
Hämodynamik zu erfüllen:
1. medizintechnische Aspekte des Konstriktors:
1-1
Biokompatibilität der verwendeten Materialien;
1-2
feinjustierbares Schließen sowie aktives Öffnen des Konstriktors zu jedem Zeitpunkt;
1-3
Infektionsprophylaxe durch Sterilisierbarkeit des Systems;
1-4
die Form des Konstriktors sowie der nach extrakorporal geleitete Steuerzug mussten
den anatomischen Gegebenheiten entsprechen, ohne zu Irritationen der Pulmonalarterie, des linken Vorhofohrs, der Aorta oder zu führen (Abbildung 3);
1.4
die einzelnen Teile der Konstriktoreinheit sollten leicht zu dekonnektieren sein, um
bei Bedarf problemlos ausgetauscht werden zu können.
2. Aspekte der Hypertrophieentstehung und rechtsventrikulären Funktion:
1.
schrittweise Anhebung des rechtsventrikulären, systolischen Drucks als hämodynamische Zielgröße durch progressive Konstriktion innerhalb von 3 bis 4 Wochen
auf 80% des systemarteriellen Drucks;
14
”Adjustierbarer Gefäßkonstriktor”
2.
Erhalt der rechtsventrikulären Funktion während der Nachlasterhöhung gemessen
am enddiastolischen Druck und der echokardiographisch bestimmten Flächen-EF;
3.
histologische Validierung der Myokardhypertrophie bezüglich degenerativer
Veränderungen anhand der Befunde der Myokardbiopsien.
15